Автоматизация системы регулирования температуры горячего дутья на доменную печь

курсовая работа

2. АНАЛИЗ ОБЪЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ

Выплавка чугуна в доменной печи характеризуется сложными процессами, происходящими в условиях движущихся, химических и подвергаемых фазовым изменениям сред. Знание закономерностей протекания этих процессов необходимо для разработки новых систем автоматического управления, которые должны обеспечить оптимальный режим работы доменной печи.

С точки зрения теории управления доменный процесс является нелинейным многосвязным объектом с распределенными параметрами, полисигнальной структурой и потерями информации.

В настоящее время большинство из множества характеризующих доменный процесс параметров контролируются непрерывно или через определенные интервалы времени, однако точность и надежность некоторых измерительных комплектов неудовлетворительна. Кроме того, получаемая в настоящее время информация о ходе процесса используется недостаточно.

Множество характеризующих доменный процесс контролируемых параметров можно условно разделить на три подмножества - входные параметры, выходные параметры и параметры состояния.

Входные параметры:

- расход дутья;

- содержание кислорода в дутье;

- температура горячего дутья;

- влажность дутья;

- расход топливной добавки, вдуваемой через фурмы;

- химический состав топливной добавки;

- давление газа под колошником;

- расходы дутья через отдельные фурмы (при наличии САР);

- расходы топливной добавки через отдельные фурмы;

- диаметр и высота форм;

- кокс, рудная часть шихты, флюсы:

а) количество в подачу;

б) химический состав;

в) влажность;

г) реакционные характеристики;

д) фракционный состав;

е) прочностные характеристики.

- система загрузки;

- уровень засыпки.

Выходные параметры:

- производительность печи;

- качество чугуна:

а) химический состав;

б) температура.

- себестоимость.

Параметры состояния:

- давление горячего дутья;

- перепады давления по высоте печи;

- расходы дутья через отдельные фурмы (при отсутствии САР);

- выход колошникового газа;

- химический состав колошникового газа;

- химический состав газа по радиусам печи;

- скорость схода шихты;

- температура фурменных зон;

- температура периферии печи на различных горизонтах;

- температура газов в газоотводах;

- распределение температуры по радиусам печи;

- вынос пыли;

- химический состав шлака;

- количество шлака;

- температура шлака;

- пульсация давления горячего дутья на фурмах.

В свою очередь входные параметры процесса можно подразделить по признаку возможности непрерывного контроля и целенаправленного изменения их на управляющие и возмущающие воздействия.

В типовые системы контроля и регулирования хода доменной печи включены приборы и регуляторы-стабилизаторы регулируемых входных воздействий, которые достаточно точно поддерживают задаваемые вручную параметры дутьевого режима. Контроль же выходных величин и возмущений еще весьма несовершенен, что вынуждает усложнять систему контроля, вводя в нее ряд приборов, контролирующих некоторые промежуточные величины.

Основными АСР в доменной печи являются температура горячего дутья, расход природного газа и давление под колошником. Основными входными управляющими воздействиями доменного процесса являются параметры режима дутья (расход, температура, влажность). Математические зависимости, связывающие параметры процесса, при условии надежного контроля последних, могут быть использованы в вычислительных устройствах для выработки рекомендаций по изменению управляющих величин или в управляющих вычислительных устройствах для автоматического изменения входных параметров процесса.

В соответствии с выбранной структурой АСР информационным сигналом в ней является сигнал, пропорциональный температуре горячего дутья. Горячее дутье подается в доменную печь с температурой 1100 0С, давлением 0.31 МПа, влажность дутья составляет 50 гр./м3, содержание кислорода 27 %, запыленность 3 мг/м3, контролируемая среда не электропроводна.

Для измерения температуры горячего дутья используют контактный термоэлектрический метод. Термопару в защитной арматуре устанавливают на воздухопроводе как можно выше к кольцевому участку воздухопровода горячего дутья. Все остальные приборы и средства АСР размещают на щитах в специально подготовленном отапливаемом помещении и эксплуатируются при атмосферном давлении и отсутствии агрессивных сред.

Регулятор должен обеспечить формирование ПИ-закона регулирования при расчетных параметрах настройки, унифицированном токовом входном сигнале и реализовать импульсный выходной.

Для реализации перечисленных функций используют микропроцессорный контроллер (МПК). На нем кроме АСР температуры горячего дутья реализованы еще три АСР доменной печи. Это позволяет сократить количество использованных при автоматизации технических средств и их номенклатуры, что снижает расходы на их монтаж, пусконаладочные работы и эксплуатацию, повышает надежность системы в целом, а так же обеспечивает возможность дальнейшего усовершенствования АСР программным путем без усложнения аппаратных средств.

Рисунок 2.1 - Временная характеристика объекта регулирования температуры горячего дутья на доменной печи

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ОБЪЕКТА РЕГУЛИРОВАНИЯ И АППРОКСИМАЦИЯ КРИВОЙ РАЗГОНА

В практике автоматизации технологических объектов и производств часто требуется знать математическое описание, т.е. математическую модель объекта управления. Для специалистов в области автоматизации наличие математической модели полезно по двум причинам:

1) для исследования динамических свойств объекта управления без дополнительных временных и материальных затрат;

2) для построения замкнутой системы управления.

Так как технологические объекты являются достаточно сложными и, как правило, их динамика описывается дифференциальными уравнениями высоких порядков, то получить описание таких объектов аналитическим путем практически невозможно, поэтому на практике для получения математических моделей прибегают к использованию экспериментально-аналитических методов.

Экспериментальная переходная характеристика объекта управления (рисунок 2.1), характеризующая изменение температуры горячего дутья на доменную печь, есть ничто иное, как реакция системы на единичное ступенчатое воздействие и может быть получена двумя путями:

1) экспериментальным путем, непосредственно на самом объекте;

2) путем решения системы дифференциальных уравнений, которыми описывается объект при той же форме входного сигнала.

Поэтому можно утверждать, что переходная функция любого объекта есть ничто иное, как точное решение системы дифференциальных уравнений, которой описывается объект при такой же форме входного воздействия. Таким образом, задача идентификации сводится к решению обратной задачи динамики, т.е. по имеющемуся решению дифференциальных уравнений найти сам вид дифференциальных уравнений.

В практике получения математических моделей объектов управления по переходным функциям в технической литературе есть несколько способов. Наиболее простой из них является следующий:

1) По переходной функции объекта управления (рисунок 2.1) выбирается структура математической модели.

Как видно из приведенного рисунка 2.1 переходная функция имеет вид переходной функции апериодического звена n-го порядка. На начальном участке времени выходной сигнал практически не меняет своей величины по амплитуде, т.е. отстает или запаздывает относительно входного сигнала. Поэтому в качестве передаточной функции модели объекта можно выбрать передаточную функцию следующего вида:

где К - коэффициент усиления объекта, Т - постоянная времени, - величина запаздывания, n - порядок объекта.

Приняв подобную структуру модели, и разложив звено чистого запаздывания в ряд Тейлора, ограничившись первыми двумя членами, структура модели можно представить в следующем виде:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3.1 - Расчетная схема

2) После выбора структуры модели задача идентификации сводится к определению численных значений коэффициентов: К, Т, , n, входящих в структуру модели.

Коэффициенты, входящие в передаточную функцию, выбираются следующим образом: к переходной функции объекта управления в точке перегиба проводится касательная и по графику определяются: Т=58 с и = 6 с. Значение коэффициента усиления объекта К определяется по формуле:

Исходное значение порядка объекта n, из рассуждения прагматичности, берется равным 2.

Коэффициенты, полученные таким путем, дают лишь приблизительные результаты. Поэтому значения этих коэффициентов могут использоваться лишь как приближенные значения в процессе получения точной математической модели объекта управления.

3) Следующим этапом является проверка адекватности модели и объекта. В этом случае критерием адекватности будет совпадение переходной функции модели и объекта во всем временном диапазоне.

Для построения переходной характеристики модели достаточно провести моделирование полученной структуры (рисунок 3.1) во временной области при той же форме входного воздействия и нулевых начальных условиях.

Так как

Y1/X = K/(TP/n+1);

Y2/Y1 = 1/(TP/n+1);

Y3/Y2 = 1/(фP/2+1);

Y4/Y3 =1/ (фP/2+1).

То можно записать следующие выражения

TP/n Y1 + Y1 = КХ;

TP/n Y2 + Y2 = Y1;

тP/2 Y3 + Y3 = Y2;

фP/2 Y4 + Y4 = Y3;

Таким образом получена система дифференциальных уравнений в операторной форме. Если в системе уравнений (3.1) провести замену Р на d/dt, то систему уравнений можно записать в обычной форме:

Y1? = 2(KX - Y1)/T;

Y2 ? = 2(Y1 - Y2)/T;

Y3? =2 (Y2 - Y3)/ф;

Y4? =2 (Y3 - Y4)/ф;

Подставив в (3.2) численных значений коэффициентов: К, Т, , n, входящих в структуру модели, получим

Y1? = 2(1 - Y1)/58;

Y2 ? =2(Y1 - Y2)/58;

Y3? =2 (Y2 - Y3)/6;

Y4? =2 (Y3 - Y4)/6;

Полученная система (3.3) решается во временной области (с использованием программы EXCEL) и результат решения сравнивается с переходной функцией объекта управления (рисунок 2.1). Если результаты совпадают, то процесс идентификации считается законченным. В противном случае, осуществляется корректировка Т и в ту или иную сторону и снова осуществляется проверка адекватности. В том случае, если путем корректировки добиться положительных результатов не удается, то изменяется значение n. В общем случае процедуру идентификации объектов управления во временной области можно представить в виде блок-схемы, приведенной на рисунке 3.2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3.2 - Блок-схема алгоритма

Процесс идентификации был закончен при следующих численных значениях коэффициентов: К=1, Т=58с, n=2 и ф=6с. Передаточная функция математической модели объекта управления в этом случае приобретает вид:

В соответствии с (3.4) строим переходную характеристику математической модели (рисунок 3.3). Сравнивая две характеристики: модели и объекта, можно сделать вывод о точности проведенной идентификации.

1 - экспериментальная; 2 - аппроксимирующая

Рисунок 3.3 - Переходные функции объекта и модели регулирования

Делись добром ;)